張碧云，程 平，李 宏，武勝利，張志剛

(1.新疆師范大學(xué) 地理科學(xué)與旅游學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830054； 2.新疆林業(yè)科學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000； 3.新疆阿克蘇森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，新疆 阿克蘇 843000； 4.新疆佳木果樹(shù)學(xué)國(guó)家長(zhǎng)期科研基地，新疆 阿克蘇 843000)

位于塔里木盆地北緣的阿克蘇地區(qū)是新疆重要的蘋(píng)果特色產(chǎn)區(qū)，長(zhǎng)期以來(lái)，該區(qū)域的灌溉方式以大水漫灌為主，節(jié)水灌溉為輔，導(dǎo)致水資源利用效率低。《2019年中國(guó)水資源公報(bào)》表明，我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量占總用水總量的61.2%，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)為0.559。因此，研究滴灌條件下蘋(píng)果樹(shù)蒸騰耗水規(guī)律，對(duì)研究區(qū)蘋(píng)果樹(shù)科學(xué)灌溉、增加農(nóng)民收入和促進(jìn)新疆特色林果業(yè)快速發(fā)展具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)，樹(shù)干邊材中99%的莖流量用于葉片蒸騰耗水，計(jì)算樹(shù)干莖流量能較好地反映植物蒸騰耗水量。熱擴(kuò)散法因具有連續(xù)、穩(wěn)定、誤差小和成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于植物蒸騰耗水規(guī)律研究。眾多學(xué)者用熱擴(kuò)散法在蘋(píng)果方面做了大量的研究。石游等利用熱擴(kuò)散法研究得出，環(huán)境因子對(duì)阿克蘇富士蘋(píng)果樹(shù)液流速率的影響排序?yàn)榇髿鉁囟?太陽(yáng)輻射>相對(duì)濕度。張亞雄等發(fā)現(xiàn)，各生育期蘋(píng)果樹(shù)莖流速率日變化趨勢(shì)基本相同，均呈先增加后下降的趨勢(shì)。夏桂敏等研究發(fā)現(xiàn)，寒富蘋(píng)果樹(shù)日莖流速率呈晝高夜低的“幾”字型變化，莖流速率夜間變化平穩(wěn)。孫習(xí)軒研究北方蘋(píng)果樹(shù)需水量發(fā)現(xiàn)，不同地區(qū)、不同品種、不同樹(shù)齡的蘋(píng)果樹(shù)蒸騰速率不同，新疆阿克蘇地區(qū)、黃土干旱地區(qū)、山東地區(qū)的蘋(píng)果樹(shù)蒸騰速率也印證了這一觀點(diǎn)。

簡(jiǎn)約化栽培模式具有易修剪、全程機(jī)械化操作、節(jié)約勞動(dòng)力成本和提高生產(chǎn)效率等優(yōu)點(diǎn)。已報(bào)道的關(guān)于蘋(píng)果樹(shù)莖流的研究大多側(cè)重于不同天氣條件下莖流速率變化規(guī)律和日變化特征，對(duì)于滴灌簡(jiǎn)約化栽培模式下的蘋(píng)果樹(shù)蒸騰耗水規(guī)律鮮有報(bào)道?；诖?，本文分析滴灌條件下阿克蘇地區(qū)蘋(píng)果樹(shù)莖流速率，以及環(huán)境因子對(duì)其的響應(yīng)，篩選出蘋(píng)果園的科學(xué)灌水量，以期為阿克蘇地區(qū)蘋(píng)果樹(shù)科學(xué)灌溉提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于塔里木盆地北緣新疆阿克蘇地區(qū)農(nóng)一師五團(tuán)十三連(80°45′35″E，41°20′12″N)，是中國(guó)國(guó)家地理標(biāo)志產(chǎn)品阿克蘇蘋(píng)果的主產(chǎn)區(qū)。該區(qū)域?qū)儆诘湫偷臏貛Т箨懶詺夂?，四季分明，光熱資源豐富，晝夜溫差大；春季升溫快而不穩(wěn)，秋季短暫而降溫迅速，多晴天少雨天，空氣干燥。年均降水量65.4 mm，年均氣溫10.10 ℃，極端低溫-27.4 ℃，年均日照時(shí)數(shù)2 747.7 h，年積溫(≥10 ℃)2 916.8～3 198.6 ℃，無(wú)霜期185 d。試驗(yàn)地海拔1 197 m，地下水埋深3.5 m。果園的土壤質(zhì)地為砂壤土，表1為紅肉蘋(píng)果園的土壤理化性質(zhì)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

表1 蘋(píng)果園土壤理化性質(zhì)

試驗(yàn)于2020年6—9月進(jìn)行，試驗(yàn)地面積0.67 hm。蘋(píng)果品種為紅色之愛(ài)，簡(jiǎn)約化栽培模式，樹(shù)形為高紡錘形，株行距為1.5 m×4.0 m，2016年定植，平均地徑8.5 cm，平均樹(shù)高3.5 m，東西冠幅215 cm，南北冠幅270 cm。采用漫灌與滴灌相結(jié)合的灌溉方式，即春灌(2020-03-25)與冬灌(2020-11-05)采用漫灌，灌溉定額均為2 250 m·hm，其余生長(zhǎng)季(2020-04-15至2020-09-25)采用滴灌方式。生育期內(nèi)共9次滴灌灌溉，分別在4月灌溉1次、5月灌溉1次、6月灌溉2次、7月灌溉2次、8月灌溉2次、9月灌溉1次。設(shè)3個(gè)滴灌梯度W1～W3，具體措施見(jiàn)表2。樣地內(nèi)除灌水量不同外，果園管理(除草、施肥、修剪)方式一致。

紅肉蘋(píng)果樹(shù)各生育期劃分：4月15日—5月10日為萌芽開(kāi)花期，5月11日—6月15日為幼果期，6月16日—9月10日為果實(shí)膨大期，9月11日—9月30日為果實(shí)成熟期，9月30日—次年4月14日為落葉休眠期。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 莖流速率測(cè)定

采用TDP插針式莖流儀測(cè)定不同灌水量條件下蘋(píng)果樹(shù)莖流速率，探針型號(hào)TDP-30，探針長(zhǎng)度30 mm。每處理選定2株蘋(píng)果樹(shù)，在距離地面1 m處樹(shù)干的北面安裝TDP莖流計(jì)，莖流數(shù)據(jù)每30 min自動(dòng)記錄一次，通過(guò)CR100數(shù)據(jù)采集器和筆記本電腦中的PC400軟件連接，下載莖流數(shù)據(jù)。每月拆除TDP傳感器、進(jìn)行晾曬和重新安裝，避免探針與樹(shù)干粘在一起。在距離地面30 cm處用生長(zhǎng)錐鉆取樣樹(shù)的生長(zhǎng)芯，邊材和心材的顏色區(qū)分明顯，用游標(biāo)卡尺3次測(cè)量邊材和心材的長(zhǎng)度，取平均值，計(jì)算邊材面積。參照文獻(xiàn)[17]的方法計(jì)算蘋(píng)果樹(shù)莖流速率。

1.3.2 氣象因子測(cè)定

在試驗(yàn)地中央位置安裝HOBO小型氣象站，自動(dòng)觀測(cè)蘋(píng)果園內(nèi)的太陽(yáng)輻射、大氣溫度、風(fēng)速和空氣相對(duì)濕度，每30 min自動(dòng)采集一次數(shù)據(jù)，飽和水氣壓差(VPD)參照文獻(xiàn)[12]計(jì)算。

1.3.3 土壤體積含水量測(cè)定

每個(gè)處理在距離蘋(píng)果樣樹(shù)50 cm處挖一個(gè)長(zhǎng)50 cm、寬30 cm、高80 cm的土壤剖面，土壤水分傳感器分別安裝在10、30、50、70 cm土層處，用EM50數(shù)據(jù)采集器和電腦中的ECHO Utility軟件連接，每天18：00測(cè)定不同土層深度的土壤體積含水量。

1.3.4 果實(shí)產(chǎn)量和品質(zhì)測(cè)定

果實(shí)產(chǎn)量：2020年10月1日，每個(gè)處理選取3株蘋(píng)果樹(shù)采摘全部果實(shí)并稱其質(zhì)量，3株蘋(píng)果樹(shù)產(chǎn)量的平均值即為該處理單株產(chǎn)量。每個(gè)處理隨機(jī)選取20個(gè)蘋(píng)果測(cè)量單果重、縱徑和橫徑。果形指數(shù)為縱徑與橫徑的比值。

果實(shí)品質(zhì)：各處理隨機(jī)選取樹(shù)干中部4個(gè)方向(東、南、西、北)共20個(gè)果實(shí)，測(cè)定果實(shí)的可溶性固形物、總酸、總糖、維生素C(V)、纖維素含量。

1.3.5 灌溉水分生產(chǎn)率

灌溉水分生產(chǎn)率(iWUE)(kg·m)計(jì)算公式為

灌溉水分生產(chǎn)率=產(chǎn)量/灌水量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2019和SPSS 23.0軟件分析數(shù)據(jù)，用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 紅肉蘋(píng)果樹(shù)莖流速率變化規(guī)律

2.1.1 日均莖流速率

從圖1看出，不同灌水量條件下蘋(píng)果樹(shù)主要生育期日均莖流速率變化趨勢(shì)基本一致。6月，各處理的蘋(píng)果樹(shù)日均莖流速率均較??；7月初，各處理的蘋(píng)果樹(shù)日均莖流速率均快速上升；7—8月，日均莖流速率均在較高水平；9月，日均莖流速率開(kāi)始迅速下降。為進(jìn)一步了解蘋(píng)果樹(shù)各生育期莖流速率變化規(guī)律，選取幼果期(6月6日—6月15日)、果實(shí)膨大期(7月26日—8月4日)、成熟期(9月16日—9月25日)的日均莖流速率數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果見(jiàn)圖2。從幼果期到成熟期，日均莖流速率先增大后減小，W2和W3處理的日均莖流速率顯著(<0.05)大于W1。幼果期和成熟期W2和W3處理的蘋(píng)果樹(shù)莖流速率未達(dá)到顯著差異(>0.05)，果實(shí)膨大期W3處理的蘋(píng)果樹(shù)莖流速率顯著(<0.05)大于W2處理。

表2 滴灌水平設(shè)置

圖1 不同灌水量條件下紅肉蘋(píng)果樹(shù)日均莖流速率Fig.1 Daily average sap flow rate of red apple trees under different irrigation amounts

無(wú)相同小寫(xiě)字母表示相同生育期不同處理在0.05水平上差異顯著。Data marked without the same lowercase letter at the same growth period indicated significant differences at P<0.05.圖2 主要生育期紅肉蘋(píng)果樹(shù)日均莖流速率Fig.2 Daily average sap flow rate in main growth period of red apple trees

2.1.2 莖流速率日變化

從圖3可知，6—9月不同灌水量條件下蘋(píng)果樹(shù)莖流速率日變化均呈單峰型曲線和晝高夜低的變化趨勢(shì)。以7月為例(圖3-B)，蘋(píng)果樹(shù)莖流速率在09：30左右開(kāi)始啟動(dòng)，之后莖流速率隨溫度和太陽(yáng)輻射的升高迅速增加，13：00左右達(dá)到峰值，莖流速率月平均峰值排序?yàn)閃3(7.570 cm·h)>W2(6.613 cm·h)>W1(4.650 cm·h)；12：00—19：00莖流速率變化平穩(wěn)，之后莖流速率快速下降，23：00左右達(dá)到最低值，夜間莖流速率處在一個(gè)較低的水平。從表3可知，隨灌水量的增加，蘋(píng)果樹(shù)莖流速率峰值逐漸增加，到達(dá)峰值的時(shí)間也逐漸延遲；與6—8月相比，9月莖流速率的啟動(dòng)時(shí)間延遲、持續(xù)時(shí)間縮短、峰值降低。

2.2 影響紅肉蘋(píng)果樹(shù)莖流速率的環(huán)境因子

2.2.1 氣象因子

選取瞬時(shí)間尺度下8月6日—15日的莖流速率和主要?dú)庀笠蜃舆M(jìn)行相關(guān)性分析。從表4可知，太陽(yáng)輻射與蘋(píng)果樹(shù)莖流速率的相關(guān)性最強(qiáng)，大氣溫度次之，風(fēng)速對(duì)蘋(píng)果樹(shù)莖流速率的影響最小。莖流速率與太陽(yáng)輻射、大氣溫度、風(fēng)速和飽和水汽壓差均呈極顯著(<0.01)正相關(guān)，與空氣相對(duì)濕度呈極顯著(<0.01)負(fù)相關(guān)。

采用通徑分析方法，進(jìn)一步研究各氣象因子對(duì)蘋(píng)果樹(shù)莖流速率的直接作用和間接作用。由表5可知，大氣溫度對(duì)蘋(píng)果樹(shù)莖流速率的直接作用最大，太陽(yáng)輻射對(duì)莖流速率的直接作用次之，飽和水汽壓差對(duì)莖流速率產(chǎn)生直接負(fù)作用。大氣溫度的直接作用和太陽(yáng)輻射、飽和水汽壓差的間接作用共同影響蘋(píng)果樹(shù)莖流速率。

為進(jìn)一步探究氣象因子對(duì)不同灌水量條件下蘋(píng)果樹(shù)莖流速率的綜合作用，采用逐步多元回歸分析方法，建立不同灌水量條件下蘋(píng)果樹(shù)莖流速率和氣象因子的回歸方程(表6)。W1、W2和W3處理回歸方程的因變量為瞬時(shí)間尺度下8月6日—15日莖流速率，自變量為同時(shí)期氣象因子。

圖3 6—9月紅肉蘋(píng)果樹(shù)莖流速率日變化規(guī)律Fig.3 Diurnal variation of sap flow rate of red apple trees from June to September

表3 紅肉蘋(píng)果樹(shù)莖流速率月際動(dòng)態(tài)變化

表4 紅肉蘋(píng)果樹(shù)莖流速率與氣象因子的相關(guān)系數(shù)

表5 紅肉蘋(píng)果樹(shù)莖流速率與氣象因子的通徑分析

表6 紅肉蘋(píng)果樹(shù)莖流速率與氣象因子的回歸方程

在建立的3個(gè)回歸方程中，大氣溫度、太陽(yáng)輻射和飽和水氣壓差均為輸入變量，3個(gè)回歸方程均通過(guò)了顯著性檢驗(yàn)(<0.01)，決定系數(shù)均在0.83以上，說(shuō)明建立的3個(gè)方程擬合性較好，影響莖流速率的主要環(huán)境因子均已考慮在內(nèi)，可以較好地說(shuō)明各氣象因子對(duì)莖流速率的影響。

2.2.2 土壤體積含水量

除氣象因子外，土壤含水量也是影響莖流速率變化的重要因素。選取8月6日—15日蘋(píng)果樹(shù)日均莖流速和不同土層土壤體積含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析。從表7可知，各處理50 cm土層土壤體積含水量與莖流速率的相關(guān)系數(shù)最大，均達(dá)到極顯著水平(<0.01)。

表7 紅肉蘋(píng)果樹(shù)莖流速率與土壤體積含水量的相關(guān)系數(shù)

采用通徑分析方法分析不同土層土壤體積含水量對(duì)莖流速率的直接影響和間接影響，根據(jù)輸入變量<0.05、輸出變量>0.01的原則進(jìn)行通徑分析。從表8看出，輸入變量均為50 cm土層土壤體積含水量，其余變量均為輸出變量。綜合分析得出50 cm土層土壤體積含水量是影響莖流速率的關(guān)鍵因子。

2.3 不同灌水量對(duì)紅肉蘋(píng)果產(chǎn)量、品質(zhì)的影響

從表9可知，果形指數(shù)、單果重和產(chǎn)量隨灌水量的增加而增加，W2和W3處理差異不顯著(>0.05)，但均顯著(<0.05)大于W1處理。W2處理的灌溉水分生產(chǎn)率最大，W3處理次之。

表8 紅肉蘋(píng)果樹(shù)莖流速率與土壤體積含水量的通徑分析

表9 不同灌水量對(duì)紅肉蘋(píng)果產(chǎn)量的影響

如表10所示，W2處理的總糖和維生素C含量最高，說(shuō)明適當(dāng)減少灌水量有利于果實(shí)糖分的積累和維生素C含量的提高?？扇苄怨绦挝?、總酸、纖維素含量隨灌水量的增加逐漸增大，W2和W3處理的可溶性固形物、纖維素含量差異不顯著(>0.05)，說(shuō)明適當(dāng)減少灌水量可以降低果實(shí)可溶性固形物、總酸、纖維素含量。

幼果期和果實(shí)膨大期W2和W3處理的日均莖流速率和產(chǎn)量差異均未達(dá)到顯著性水平(>0.05)，鑒于適當(dāng)減少灌水量有利于果實(shí)積累糖分和提高灌溉水分生產(chǎn)率；因此，W2處理設(shè)置的灌水量更適合研究區(qū)紅肉蘋(píng)果樹(shù)灌溉。

表10 不同灌水量對(duì)紅肉蘋(píng)果品質(zhì)的影響

3 討論

研究不同灌水量條件下蘋(píng)果樹(shù)莖流速率變化規(guī)律，可以確定蘋(píng)果樹(shù)實(shí)際蒸騰耗水量。本研究發(fā)現(xiàn)，蘋(píng)果樹(shù)生育期莖流速率排序?yàn)楣麑?shí)膨大期>成熟期>幼果期，與黨宏忠等對(duì)黃土高原蘋(píng)果樹(shù)莖流速率的研究結(jié)果相似。6—7月蘋(píng)果樹(shù)莖流速率最高，該時(shí)期是蘋(píng)果樹(shù)需水量和耗水量最大的時(shí)段。不同灌水量條件下蘋(píng)果樹(shù)莖流率均呈晝高夜低的變化趨勢(shì)，夜間莖流速率變化平穩(wěn)，根壓會(huì)使水分主動(dòng)被吸入樹(shù)體，補(bǔ)充白天蒸騰消耗大量的水分，保持水分平衡。植物樹(shù)干莖流受植物自身生物學(xué)特性、土壤水分條件和氣象因子等多種環(huán)境因子的綜合作用，其中，氣象因子是影響莖流速率變化的關(guān)鍵因素。本研究發(fā)現(xiàn)，大氣溫度是影響蘋(píng)果樹(shù)莖流速率最關(guān)鍵的氣象因子，與石游等對(duì)阿克蘇地區(qū)富士蘋(píng)果的研究結(jié)果一致；但也有研究表明，太陽(yáng)輻射是影響蘋(píng)果樹(shù)干莖流速率最直接的氣象因素，可能是因?yàn)檠芯繀^(qū)地理位置不同，氣候條件存在差異，影響莖流速率的關(guān)鍵因素也不同。丁日升等研究表明，風(fēng)速對(duì)莖流速率的影響較小，本研究結(jié)果與此一致；另外，莖流速率與太陽(yáng)輻射、大氣溫度呈極顯著正相關(guān)，與空氣相對(duì)濕度呈極顯著負(fù)相關(guān)。

土壤水分條件是影響植物莖流速率變化的另一重要因素。王卓等研究表明，沙棘液流速率隨灌水量增加而增大；趙付勇等研究發(fā)現(xiàn)，滴灌條件下核桃樹(shù)日均莖流速率隨著灌水量的增加而增大。本研究中，不同程度的土壤水分虧缺是影響蘋(píng)果樹(shù)莖流速率差異的主要原因，在低土壤含水量下蘋(píng)果樹(shù)莖流速率與氣象因子的相關(guān)性和敏感性低于高土壤含水量下，與李思靜等的研究結(jié)果一致。趙平等研究表明，當(dāng)土壤水分含量較低時(shí)，土壤含水量對(duì)植物液流速率起主導(dǎo)控制作用，主要是因?yàn)楫?dāng)植物根系吸水不能滿足蒸騰失水時(shí)，部分氣孔關(guān)閉或開(kāi)度下降導(dǎo)致植物蒸騰作用受到抑制。50 cm土層土壤體積含水量是影響蘋(píng)果樹(shù)莖流速率變化的關(guān)鍵因子，與趙明玉等對(duì)阿克蘇地區(qū)富士蘋(píng)果的研究結(jié)果一致，主要是因?yàn)樵囼?yàn)果園一直采用滴灌施肥，蘋(píng)果根系分布較淺，滲透深度在50 cm左右。

4 結(jié)論

不同灌水量條件下蘋(píng)果樹(shù)莖流速率變化趨勢(shì)基本一致，均呈單蜂型曲線和“幾”字型變化趨勢(shì)，日均莖流速率隨灌水量的增加而增加。瞬時(shí)間尺度下影響蘋(píng)果樹(shù)莖流速率的關(guān)鍵氣象因子是大氣溫度、太陽(yáng)輻射和飽和水氣壓差；日尺度下50 cm土壤體積含水量對(duì)蘋(píng)果樹(shù)莖流速率影響顯著，適當(dāng)減少灌水量有利于提高灌溉水分生產(chǎn)率，利于果實(shí)糖分的積累和維生素C含量的增加。從果實(shí)品質(zhì)、產(chǎn)量和節(jié)水灌溉的角度綜合考慮，認(rèn)為W2處理設(shè)置的灌水量更適合阿克蘇地區(qū)蘋(píng)果樹(shù)灌溉。